Многопоточные приложения

Приложение .NET состоит из одного или нескольких процессов. Процессу принадлежат выделенная для него область оперативной памяти и ресурсы. Каждый процесс может состоять из нескольких доменов (частей) приложения, ресурсы которых изолированы друг от друга. В рамках домена может быть запущено несколько потоков выполнения. Поток (thread) представляет собой часть исполняемого кода программы. Иногда термин "thread" переводится буквально — "нить", чтобы отличить его от потоков ввода-вывода. Поэтому в литературе можно встретить и термин "многонитевые приложения".

В каждом процессе есть первичный поток, исполняющий роль точки входа в приложение. Для консольных приложений это метод Main.

Многопоточные приложения создают как для многопроцессорных, так и для однопроцессорных систем. Основной целью при этом являются повышение общей производительности и сокращение времени реакции приложения. Управление потоками осуществляет операционная система. Каждый поток получает некоторое количество квантов времени, по истечении которого управление передается другому потоку. Это создает у пользователя однопроцессорной машины впечатление одновременной работы нескольких потоков и позволяет, к примеру, выполнять ввод текста одновременно с длительной операцией по передаче данных.

Недостатки многопоточности:

• большое количество потоков ведет к увеличению накладных расходов, связанных с переключением потоков, что снижает общую производительность;

• возникают проблемы синхронизации данных, связанные с потенциальной возможностью доступа к одним и тем же данным со стороны нескольких потоков (например, если один поток начинает изменение общих данных, а отведенное ему время истекает, доступ к этим же данным может получить другой поток, который, изменяя данные, необратимо их повреждает).

Класс Thread

В .NET многопоточность поддерживается в основном с помощью пространства имен System.Threading. Некоторые типы этого пространства описаны в таблице 4.3.1.

Таблица 4.3.1. Некоторые типы пространства имен System.Threading
Тип	Описание
Monitor	Класс, обеспечивающий синхронизацию доступа к объектам
Mutex	Класс-примитив синхронизации, который используется также для синхронизации между процессами
Thread	Класс, который создает поток, устанавливает его приоритет, получает информацию о состоянии
ThreadPool	Класс, используемый для управления набором взаимосвязанных потоков — пулом потоков
Timer	Класс, определяющий механизм вызова заданного метода в заданные интервалы времени для пула потоков
WaitHandle	Класс, инкапсулирующий объекты синхронизации, которые ожидают доступа к разделяемым ресурсам
ThreadStart	Делегат, представляющий метод, который должен быть выполнен при запуске потока
TimerCallback	Делегат, представляющий метод, обрабатывающий вызовы от класса Timer
WaitCallback	Делегат, представляющий метод для элементов класса ThreadPool
ThreadPriority	Перечисление, описывающее приоритет потока
ThreadState	Перечисление, описывающее состояние потока

Первичный поток создается автоматически. Для запуска вторичных потоков используется класс Thread. При создании объекта-потока ему передается делегат, определяющий метод, выполнение которого выделяется в отдельный поток:

Thread t = new Thread ( new ThreadStart( имя_метода ) );

После создания потока заданный метод начинает в нем свою работу, а первичный поток продолжает выполняться. В листинге приведен пример одновременной работы двух потоков.

using System;

using System.Threading;

namespace ConsoleApplication1

{ class Program

{

static public void Hedgehog() // метод для вторичного потока

{

for ( int i = 0; i < 6; ++i )

{

Console.Write(" " + i ); Thread.Sleep( 1000 );

}

}

static void Main()

{

Console.WriteLine( "Первичный поток " +

Thread.CurrentThread.GetHashCode() );

Thread ta = new Thread( new ThreadStart(Hedgehog) );

Console.WriteLine( "Вторичный поток " + ta.GetHashCode() );

ta.Start();

for ( int i = 0; i > -6; --i )

{

Console.Write( " " + i ); Thread.Sleep( 400 );

}

}

}

}

Листинг 10.6. Создание вторичного потока

Результат работы программы:

Первичный поток 1

Вторичный поток 2

0 0 -1 -2 1 -3 -4 2 -5 3 4 5

В листинге используется метод Sleep, останавливающий функционирование потока на заданное количество миллисекунд. Как видите, оба потока работают одновременно. Если бы они работали с одним и тем же файлом, он был бы испорчен так же, как и приведенный вывод на консоль, поэтому такой способ распараллеливания вычислений имеет смысл только для работы с различными ресурсами.

В таблице 4.3.2 перечислены основные элементы класса Thread.

Таблица 4.3.2. Основные элементы класса Thread
Элемент	Вид	Описание
CurrentThread	Статическое свойство	Возвращает ссылку на выполняющийся поток (только для чтения)
Name	Свойство	Установка текстового имени потока
Priority	Свойство	Получить/установить приоритет потока (используются значения перечисления ThreadPriority )
ThreadState	Свойство	Возвращает состояние потока (используются значения перечисления ThreadState )
Abort	Метод	Генерирует исключение ThreadAbortException. Вызов этого метода обычно завершает работу потока
Sleep	Статический метод	Приостанавливает выполнение текущего потока на заданное количество миллисекунд
Interrupt	Метод	Прерывает работу текущего потока
Join	Метод	Блокирует вызывающий поток до завершения другого потока или указанного промежутка времени и завершает поток
Resume	Метод	Возобновляет работу после приостановки потока
Start	Метод	Начинает выполнение потока, определенного делегатом ThreadStart
Suspend	Метод	Приостанавливает выполнение потока. Если выполнение потока уже приостановлено, то игнорируется

Можно создать несколько потоков, которые будут совместно использовать один и тот же код. Пример приведен в листинге.

using System;

using System.Threading;

namespace ConsoleApplication1

{

class Class1

{ public void Do()

{

for ( int i = 0; i < 4; ++i )

{ Console.Write( " " + i ); Thread.Sleep( 3 ); }

}

}

class Program

{ static void Main()

{

Class1 a = new Class1();

Thread t1 = new Thread( new ThreadStart( a.Do ) );

t1.Name = "Second";

Console.WriteLine( "Поток " + t1.Name );

t1.Start();

Thread t2 = new Thread( new ThreadStart( a.Do ) );

t2.Name = "Third";

Console.WriteLine( "Поток " + t2.Name );

t2.Start();

}

}

}

Результат работы программы:

Поток Second

Поток Third

0 0 1 1 2 2 3 3

Варианты вывода могут несколько различаться, поскольку один поток прерывает выполнение другого в неизвестные моменты времени.

Для того чтобы блок кода мог использоваться в каждый момент только одним потоком, применяется оператор lock. Формат оператора:

lock ( выражение ) блок_операторов

Выражение определяет объект, который требуется заблокировать. Для обычных методов в качестве выражения используется ключевое слово this, для статических — typeof( класс ).Блок операторов задает критическую секцию кода, которую требуется заблокировать.

Например, блокировка операторов в приведенном ранее методе Do выглядит следующим образом:

public void Do()

{

lock( this )

{

for ( int i = 0; i < 4; ++i )

{ Console.Write( " " + i ); Thread.Sleep( 30 ); }

}

}

Для такого варианта метода результат работы программы изменится:

Поток Second

Поток Third

0 1 2 3 0 1 2 3